基于物聯網技術的溫室大棚測量與控制系統的設計

劉海泉+楊盛泉+黃姝娟+劉萍萍

摘要： 針對目前溫室大棚使用運行中出現的人工強度大、測量與控制精度低、產量與質量不穩定等現象，提出基于物聯網技術設計并開發溫室大棚的遠程測量與控制系統。文中首先講述了溫室大棚物聯網總體架構，詳細地設計出包括感知層、網絡層、應用層等三層物聯網體系結構，繼而討論了傳感器節點與協調器節點的硬件設計，最后論述了溫室大棚物聯網系統的軟件詳細設計并講述了系統實際應用開發情況。

Abstract： In view of the phenomenon of high labor intensity， low measure and control accuracy and production and quality instability in the operation of greenhouse， this paper proposes the design and development of remote greenhouse measure and control system based on Internet of things technology. Firstly the article describes the overall architecture of greenhouse IOT system， and three architecture layers including the perception layer， network layer， application layer are designed in detail in the paper. Secondly it discusses the hardware design of the sensor node and the coordinator node. Finally it discusses the detailed design of the greenhouse IOT system software and describes the actual application development of the system.

關鍵詞： 物聯網；溫室大棚；傳感器；協調器

Key words： Internet of Things；greenhouse；sensor；coordinator

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）17-0108-03

0 引言

溫室大棚是現代農業反季節蔬菜生產的重要場所，它通過合適的手段來調節溫室內部的溫度、濕度、二氧化碳濃度、土壤水分等來創造出適合植物生長的人工氣象環境[1]。傳統的溫室大棚主要靠人工憑經驗觀察室內的溫度計、濕度計進行手工方法除濕、灑水、天窗光照等手段進行，這種控制方式勞動強度大、容易受主觀因素影響、控制精度低，因而導致溫室大棚的蔬菜生產數量、質量均不穩定，很難適應現代農業高效、優質、量產要求。

物聯網定義為物與物相互連接的網絡，其英文為Internet Of Things，簡稱為IOT。物聯網是當前微電子控制技術、傳感器技術、計算機網絡通信技術等交叉聯合發展的產物，是測量與控制技術發展的又一次產業革命。本文研究利用物聯網技術對溫室大棚基于無線傳感器網絡進行遠程測量與控制，它對于降低人力成本、提高測控精度、穩定大棚質量與產量等具有非常重要的經濟與現實意義。

1 溫室大棚物聯網系統設計

1.1 溫室大棚物聯網總體架構設計

現代溫室大棚根據植物的生長規律，需要模擬出符合其發芽、生長、成熟的不同生長周期的人工環境。溫室大棚的控制工藝主要包括現場布置包括溫度、濕度、CO2等若干的傳感器，測量得到的各種數值跟植物要求的參數對比，如果出現偏差，就需要立刻驅動執行機構進行控制調整。溫室大棚的整個控制過程，就是使得傳感器測量值與設定值動態一致的過程。根據物聯網的原理與溫室大棚的工藝流程特點，設計出如圖1所示的包括感知層、網絡層、應用層的3層溫室大棚物聯網控制系統結構[3]。

系統的最低層為感知層，它包括若干的傳感器節點、執行機構動作節點，主要有：溫度傳感節點、電熱冷風節點、濕度傳感節點、加濕除濕節點、CO2傳感節點、CO2控制節點、土壤傳感節點、土壤噴水節點、光照傳感節點、遮光補陽節點等[2]。感知層的主要功能是采集現場物理傳感器信號，通過無線Zigbee協議傳輸給協調器節點，并根據協調器節點的調控指令控制相應的執行機構動作節點。

系統的中間層為協調器節點，又稱為匯聚節點，主要包含：溫度控制協調器、濕度控制協調器、CO2控制協調器、土壤水分協調器、光照控制協調器等。系統上電運行時這些協調器節點它允許與其相關聯同種控制屬性的所有傳感器節點通過它加入到無線ZigBee網絡并成為其子節點。協調器節點定期輪詢采集并控制各自對應的傳感器節點，并根據預先設置的溫室大棚工藝參數進行對比，并發出控制指令傳遞給動作節點，另外它還負責與最上層物聯網本地應用層控制中心進行RS485有線串口通信。

系統的最上層為物聯網的應用層人機交互界面，它為整個溫室大棚控制系統的遠程控制中心，它為一臺高性能的工業控制計算機，其英文為Industry Personal Computer，簡稱IPC。因為溫室大棚的每個協調器節點距離控制中心機房距離長短不定，考慮到系統的穩定性與安全性，采用RS485串口通信連接到各個溫室大棚的協調器節點上。它可以實現對溫室大棚所有的協調器進行各種數據采集存儲、溫室工藝畫面顯示、傳感測量動態曲線、溫室生長工藝參數設置等功能。

1.2 溫室大棚節點硬件設計

本系統為了簡化系統復雜性，傳感器節點與協調器節點都采用了德州儀器（TI）公司2.4GHz 頻段CC2530 ZigBee協議芯片，CC2530支持以非常低的材料成本和極低的功耗建立功能強大的物聯網節點，已經在工業、農業、航空等得到了廣泛的應用[2]。另外2.4GHz頻段為開放給工業、科學、醫學等行業的ISM（Industrial Scientific Medical）Free License頻段，它不需得到政府授權許可即可在工業控制或者物聯網系統中設計使用。

本系統傳感器與協調器節點中采用的CC2530芯片的外圍連接電路如圖2所示，芯片工作時XTAL1 為節點提供的頻率為32MHz無源晶振，XTAL1由2個C221 和C231電容跟1個頻率為32MHz石英諧振器組成；另外XTAL2 提供頻率為32.768kHz時鐘晶振，XTAL2由2 個C321 和C331電容與1 個32.768kHz的石英諧振器組成，同時內部集成了高性能射頻（Radio Frequency ， RF）收發器、工業標準增強型8051 可編程的高性能單片機、 256KB Flash ROM（Read-Only Memory）只讀存儲器和 8KB RAM（Random Access Memory）隨機存取存儲器。

設計的傳感器節點它主要包含溫度、濕度等類型的傳感器芯片、節點USB接口模塊、模擬量輸入A/D模塊、模擬量輸出D/A模塊、節點供電管理模塊、CC2530 ZigBee模塊、開關量I/O控制模塊、天線單元模塊等。

設計的協調器節點它主要由Flash Memory儲存模塊、CC2530 ZigBee模塊、鍵盤Key觸摸模塊、節點USB接口模塊、節點LCD顯示接口模塊、節點供電管理模塊、RS232轉RS485模塊以及節點電源管理模塊等組成。

2 溫室大棚物聯網系統軟件設計

溫室大棚物聯網系統軟件包括底層的傳感器節點、協調器節點單片機程序設計以及應用層溫室大棚控制中心IPC 人機界面上位軟件設計[1]。

2.1 傳感器與協調器節點程序設計

本系統的傳感器節點與協調器節點硬件架構都類似，都是基于CC2530連接到外圍多個擴展模塊，其程序設計也類似，都是基于CC2530協議棧與內置8051單片機MCU編程，其內部有很多類似子程序組成[3]。

本系統為傳感器節點與協調器節點設計了10個主要的子程序，主要如下：①main 主調循環子程序；②ZigBeeInit 芯片初始化子程序；③IOProce 開關量輸入子程序；④ADProce模擬量輸入子程序；⑤DAProce 模擬量輸出子程序；⑥ControlProce 數據處理或者工藝控制子程序；⑦RS485Proce 串口通信子程序；⑧ZigBeeProce 無線通信子程序；⑨KeyPressProce 按鍵處理子程序；⑩LCDShowProce 數據顯示處理子程序；這些不同的子程序在不同的性質節點中可設置處于激活或者休眠等不同的狀態。

2.2 應用層溫室大棚控制中心軟件設計

應用層溫室大棚控制中心需要通過串口通信RS485采集各個協調器節點的數據，并可以遠程控制它。該軟件是系統的控制中心。其軟件框圖如圖3所示，設計的模塊主要有：協調器通信收發處理模塊、數據濾波處理存儲模塊、溫室大棚工藝畫面顯示模塊、動態曲線顯示模塊、溫室預警控制處理模塊、溫室大棚參數設置模塊等。

本系統采用典型的工業控制C/S架構設計開發，系統的采用著名的Embarcadero RAD Studio XE面向對象網絡編程集成開發環境，其編程語法為Object Pacal，后臺數據庫采用MySQL 5.6，其實際開發的主畫面如圖4所示。

3 結束語

本文論述的采用感知層、網絡層、應用層這種層次化方式設計溫室大棚物聯網遠程控制系統簡單易行，它目前在國內多個農場部署實施，運行一年多來系統反饋良好，它很大程度上改變了溫室大棚傳統人工控制過程中表現出來的勞動強度大、控制精度低、產品質量不穩定等眾多缺點，具有較強的應用與推廣價值。

參考文獻：

[1]秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯網的溫室智能監控系統設計[J].農業機械學報，2015，46（3）：261-267.

[2]孫潔，李廣林.物聯網和云計算技術在溫室大棚控制系統中的應用[J].華北理工大學學報（自然科學版），2016，38（3）：103-107.

[3]吳戰廣，張獻州，張瑞，等.基于物聯網三層架構的地下工程測量機器人遠程變形監測系統[J].測繪工程，2017，26（2）：43-47.